潛艇艏端耐壓艙壁構(gòu)型對聲目標(biāo)強度的影響

胡泊，張均平

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

潛艇艏端耐壓艙壁構(gòu)型對聲目標(biāo)強度的影響

胡泊，張均平

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

潛艇艏部目標(biāo)強度偏大，影響潛艇的聲隱蔽性。由目標(biāo)強度貢獻比例曲線發(fā)現(xiàn)，艏端耐壓艙壁是潛艇艏部目標(biāo)強度的主要來源。潛艇艏端耐壓艙壁主要有（橢）球面和平面2種形狀，聲波自艏端入射時，剛性平面的目標(biāo)強度顯著高于有一定曲率的剛性橢球面的目標(biāo)強度。建立了一系列具有不同曲率的橢球形艏端耐壓艙壁模型，基于板塊元方法分析了艏端目標(biāo)強度隨艙壁曲率的變化關(guān)系，并對結(jié)果進行對數(shù)擬合，再利用BEM數(shù)值方法對耐壓殼體艏部近場回波進行仿真，得到散射聲壓云圖。計算結(jié)果表明：耐壓殼艏端艙壁采取橢球面構(gòu)形能夠減弱散射聲場的指向性，從而顯著降低目標(biāo)強度（＞10 dB）。曲率大于一定程度時，艏端目標(biāo)強度值趨于穩(wěn)定。

目標(biāo)強度；耐壓艙壁；曲率；板塊元；邊界元

0 引 言

聲隱蔽性是現(xiàn)代潛艇的標(biāo)志技術(shù)性能之一。它既是潛艇極其重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和進行潛艇戰(zhàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，也是影響潛艇作戰(zhàn)能力和生存能力的至關(guān)重要的因素［1］。潛艇對抗反潛主動聲吶的聲隱身能力，由聲目標(biāo)強度（TS）衡量，用以表征潛艇回波能力的強弱。降低目標(biāo)強度有利于提高

潛艇的聲隱蔽性。

潛艇的典型目標(biāo)強度特征是正橫方向目標(biāo)強度較大，艏端、艉端較?。?］。但根據(jù)一些資料顯示，某些潛艇的艏部目標(biāo)強度較大。較高的艏部目標(biāo)強度水平相當(dāng)于增添了“強回波亮點”［3］，導(dǎo)致不良影響：當(dāng)潛艇處于有利于魚雷發(fā)射的陣位（與敵艦艇縱向接近垂直的角度），被敵方艦艇主動聲吶探測的概率大幅提高；在潛艇對潛艇作戰(zhàn)中，較高的艏部目標(biāo)強度水平也導(dǎo)致敵方魚雷更容易進入主動聲吶制導(dǎo)階段，更難規(guī)避，導(dǎo)致生存能力降低。

潛艇的艏部目標(biāo)強度水平具有很重要的軍事意義，因而逐漸受到研究者的關(guān)注，如潘安等［4］利用板塊元方法（PEM）計算分析得到結(jié)論：單殼體鳊魚形艇體的艏部目標(biāo)強度高于常規(guī)橢球艏艇體目標(biāo)強度。更多學(xué)者采用基于亮點理論的解析方法分析了潛艇回波特征，其中即包括艏部回波特征：李正剛等［5］建立了涵蓋艏部回波亮點的魚雷追蹤聲目標(biāo)仿真模型；王明洲等［6］利用三參數(shù)亮點方法得到艏部回波時域仿真信號；范軍等［7］利用亮點思想與幾何聲線法分析了敷設(shè)消聲瓦的雙層殼回波特征。但總體而言，上述研究主要集中于單殼體潛艇模型的艏部回波分析，較少涉及雙殼體潛艇的艏部目標(biāo)強度水平分析。

潛艇艏部目標(biāo)強度水平與艏端構(gòu)件的設(shè)計存在較大的關(guān)聯(lián)。如耐壓殼艏端艙壁存在平面加筋板和半橢球這2種差別較大的結(jié)構(gòu)形式。如果在其設(shè)計初始階段并未考慮聲目標(biāo)強度指標(biāo)，而主要關(guān)注其結(jié)構(gòu)強度［8］、焊接工藝性［9］、振動聲輻射性能［10］等問題，有可能導(dǎo)致后期聲目標(biāo)強度控制的困難。因此采取合理的艏端構(gòu)型對潛艇的聲目標(biāo)強度控制具有很重要的意義。

為解釋潛艇艏部目標(biāo)強度較大的原因，并進行低聲目標(biāo)強度優(yōu)化設(shè)計，以下幾個方面值得思考：1）艏部目標(biāo)強度的主要貢獻來源；2）出現(xiàn)艏部目標(biāo)強度顯著差異的潛艇的最主要區(qū)別；3）艏部目標(biāo)強度隨設(shè)計參數(shù)的變化關(guān)系。

對于上述問題，采取基于幾何光學(xué)原理的目標(biāo)強度解析公式，可在一定程度上快速定性分析幾何構(gòu)型對艏端目標(biāo)強度的影響；借助FEM/BEM等數(shù)值方法，有利于觀察散射聲場分布，分析回波特性。另外，由于潛艇的外形較為復(fù)雜，因此也需要采用工程算法，如使用PEM獲得較為準(zhǔn)確的艏端目標(biāo)強度值以及回波貢獻比。上述工作不僅能從機理上解釋潛艇艏端聲目標(biāo)強度偏大的原因，而且能定量分析艏端聲目標(biāo)強度隨構(gòu)型參數(shù)的變化關(guān)系，得到有利于潛艇的低聲目標(biāo)強度設(shè)計的結(jié)論。

1 方法原理

1.1 目標(biāo)強度解析公式

Urick［11］基于幾何光學(xué)原理推導(dǎo)了剛性橢球面、剛性圓形面的目標(biāo)強度解析公式。該公式適用于高頻狀態(tài)的目標(biāo)強度計算。

假設(shè)a為橢球平行于入射方向半軸長，b和c為橢球的另兩個半軸長。定義橢球離心率橢球面的目標(biāo)強度(TS)可以由式（1）計算。

假設(shè)r為圓板半徑，λ為波長，θ為入射方向與圓面法向的角度，β=2ka sin θ，則目標(biāo)強度按式（2）計算。

式中，J1為一階柱貝塞爾函數(shù)，當(dāng)入射方向接近垂直于圓板時，θ→0，β=2ka sin θ→0，目標(biāo)強度公式簡化為

1.2 板塊元方法

PEM是基于Kirchhoff高頻近似理論，預(yù)報復(fù)雜目標(biāo)回波強度的工程實用方法［12］。建立潛艇的三維幾何模型，然后將表面劃分成若干近似平面板塊，考慮所有小板塊的回波貢獻即得到潛艇的目標(biāo)強度。

對于鋼質(zhì)雙殼潛艇，潛艇的總回波能力可以視為內(nèi)殼和外殼的回波聲能之和［13］。耐壓殼面為聲全反射面，輕外殼對入射聲波兼有反射和透射作用［14］。因此總目標(biāo)強度（TS）為耐壓殼的經(jīng)過2次透射損耗后內(nèi)殼的目標(biāo)強度（TSex）t與非全反射的輕外殼的目標(biāo)強度（TSin）t之和?；趦?nèi)外殼回波能量疊加理論，也能夠獲得內(nèi)外殼的回波貢獻比例。

2 計算分析過程

2.1 板塊元收斂性分析

板塊元方法的精度高度依賴于幾何模型建模的準(zhǔn)確性以及網(wǎng)格劃分方式。對于具有一定曲率的規(guī)則曲面，在保證幾何模型準(zhǔn)確的前提下，需進行網(wǎng)格劃分的收斂性分析。解析公式的結(jié)果可以作為板塊元方法結(jié)果是否收斂的判斷依據(jù)。

驗證模型為半橢球，形狀參數(shù)為e=0.5，b=c= 2 m，a=1 m。根據(jù)式（1），橢球面目標(biāo)強度解析解為6 dB。在ANSYS中按照不同網(wǎng)格間距將其劃分成若干非映射三角形板塊，并進行收斂性分析。不同網(wǎng)格劃分下板塊元結(jié)果如圖1所示。

圖1 板塊元方法收斂性分析Fig.1 Convergence analysis of PEM

由圖1可見，網(wǎng)格劃分對板塊元方法的結(jié)果影響顯著：當(dāng)網(wǎng)格間距較大時，目標(biāo)強度值劇烈起伏，誤差較大；隨著網(wǎng)格間距的縮小，板塊元方法的計算結(jié)果逐漸趨于解析方法的常數(shù)值結(jié)果（6 dB），因此認(rèn)為板塊元法已趨于收斂。權(quán)衡計算量與計算精度，橢球面選取網(wǎng)格間距50 mm較為合適。

對于平面，同樣進行收斂性分析，可以選取較大的網(wǎng)格間距，如100 mm或以上，板塊元結(jié)果精度即可達到較高水平。

2.2 艏端回波貢獻分析

潛艇艏端耐壓艙壁包括球面艙壁和平面艙壁2種結(jié)構(gòu)形式（圖2）。

圖2 兩種耐壓艏端艙壁類型Fig.2 Two types of bow pressure bulkhead

文獻［1］指出艏端耐壓球面艙壁宜采用三心球殼形式：中央部分為大半徑R的球殼，接近邊緣采用半徑為r的小圓弧過渡。該構(gòu)形可以簡化為半橢球曲面。另一種常見結(jié)構(gòu)形式為具有交叉梁系板架結(jié)構(gòu)的平面艏端艙壁構(gòu)型，回波分析中可以簡化為剛性圓形平板。

基于上述的板塊元方法以及雙層殼目標(biāo)強度合成方法得到通用Benchmark模型［15］（圖3）的艏部目標(biāo)強度隨頻率變化曲線（圖4）以及內(nèi)外殼體的目標(biāo)強度貢獻比例（圖5）。潛艇為純鋼質(zhì)，輕外殼厚度取固定值6 mm，艏端為半橢球艙壁，離心率為0.5。

圖3 雙殼體Benchmark潛艇模型Fig.3 Model of double-hull benchmark submarine

圖4 不同部位目標(biāo)強度對比Fig.4 Comparison of TS of different components

圖5 不同部位目標(biāo)強度貢獻比例Fig.5 Comparison of TS contribution of different components

由圖可見，在很大的頻率范圍內(nèi)，耐壓殼艏端艙壁是艏部目標(biāo)強度的首要來源：主要是因為輕外殼的厚度較小（6 mm左右），而且入射聲波的頻率不太高（＜10 kHz），由此導(dǎo)致其聲壓反射系數(shù)較小，透射系數(shù)較大，使得內(nèi)殼回波占主導(dǎo)地位。另外輕外殼艏部為橢球形，回波能力較弱，也是其目標(biāo)強度貢獻比例較低的原因之一。

2.3 不同艙壁構(gòu)型回波特性

上述計算結(jié)果表明，在潛艇艏端的回波貢獻來源中，耐壓艙壁占據(jù)著極其重要的地位。而由于耐壓艙壁是全反射表面，因此回波的主要成分是幾何回波。艙壁的幾何形狀對艏端目標(biāo)強度產(chǎn)生顯著影響。

建立一系列不同曲率的艏端耐壓艙壁，a=2 m保持不變，定義橢球離心率分別取e為 1.25，1，0.8，0.5，0.2，0.1。離心率越小，則曲率越低，越接近于平板。根據(jù)式（1）和式（3），計算其目標(biāo)強度，并與同半徑的平面艙壁進行對比（表1）。

由表1可見，平板的目標(biāo)強度在10 kHz內(nèi)平均值為26.2 dB，明顯高于其他半橢球面的目標(biāo)強度（-1.94～20 dB）；而且離心率越小，橢球面的目標(biāo)強度越接近于平板的目標(biāo)強度。

表1 不同形狀艙壁目標(biāo)強度值Tab.1 TS values of bulkheads with different shapes

采取間接邊界元方法（IBEM）對不同構(gòu)型的耐壓殼艏部回波進行數(shù)值仿真（圖6）。設(shè)置艏端入射的平面波聲源幅值為1 N/m2，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與場點網(wǎng)格，基于Virtual.Lab平臺進行數(shù)值計算，并對場點聲壓結(jié)果進行可視化后處理。

圖6 間接邊界元模型示意圖Fig.6 Calculation model of IBEM

選取幾種典型的耐壓艙壁形狀：平板、橢球（e=0.5）、半球（e=1.0），在1 kHz時得到散射聲壓場云圖分別如圖7～圖9所示。

圖7 平面艙壁散射聲壓云圖Fig.7 Scattering pressure contours of planar bulkhead

圖8 橢球艙壁散射聲壓云圖Fig.8 Scattering pressure contours of ellipsoidal bulkhead

圖9 半球艙壁散射聲壓云圖Fig.9 Scattering pressure contours of spherical bulkhead

由散射聲壓場云圖可以看出，平板艙壁的散射聲場指向性強，艏端方向的聲壓幅值大，偏離此方向則幅值較小，說明散射聲能主要集中在艏端方向。半橢球艙壁與半球艙壁的聲場指向性則相對較弱，與艏端成一定角度也存在聲壓幅值較高的旁瓣，具有相當(dāng)?shù)哪芰?，因此艏端反射的聲能較弱，故而目標(biāo)強度較平板艙壁小。而且橢球面的曲率越大，則聲場指向性越弱，目標(biāo)強度水平也越低。這與板塊元方法所得到的結(jié)論相符。

3 艏部目標(biāo)強度擬合分析

上述研究表明，耐壓殼艏端艙壁曲率在很大程度上決定著潛艇艏端目標(biāo)強度水平。建立艏部目標(biāo)強度與離心率的定量關(guān)系有助于潛艇低聲目標(biāo)強度的設(shè)計?；诎鍓K元方法、雙層殼回波能量疊加理論，計算了耐壓艙壁為平板和不同離心率的橢球構(gòu)型時的艏部目標(biāo)強度隨頻率變化的關(guān)系（圖10）。

圖10 艏部目標(biāo)強度曲線Fig.10 Bow TS curves

取目標(biāo)強度在1～10 kHz內(nèi)的均值，對離心率進行擬合，得到目標(biāo)強度隨離心率連續(xù)變化的擬合曲線，如圖11所示。

圖11 艏部目標(biāo)強度擬合曲線Fig.11 Fitting curves of an entire submarine's bow TS

艏部目標(biāo)強度隨離心率的擬合公式為

艏部目標(biāo)強度對離心率的一階導(dǎo)數(shù)為

可見離心率對目標(biāo)強度的影響近似為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，離心率越大，目標(biāo)強度越小，目標(biāo)強度對離心率的一階導(dǎo)數(shù)也越小。

對于雙層殼鋼質(zhì)Benchmark潛艇，將平面耐壓艙壁，改換成橢球艙壁，可以明顯降低目標(biāo)強度：e=0.1時，目標(biāo)強度降低10 dB左右；e=0.2時，目標(biāo)強度降低13 dB左右。采用曲率更大（e＞0.5）的橢球艙壁時，目標(biāo)強度繼續(xù)降低的趨勢不顯著。

4 結(jié) 論

基于板塊元方法以及雙層殼潛艇目標(biāo)強度合成理論，發(fā)現(xiàn)在1～10 kHz內(nèi)，耐壓殼艏端艙壁是Benchmark雙殼潛艇的艏部目標(biāo)強度的最主要來源。由于耐壓殼可視為全反射表面，因此其耐壓艙壁的形狀直接影響了艏部目標(biāo)強度大小。艙壁曲率越大，則散射聲場的指向性越弱，目標(biāo)強度越小。離心率對目標(biāo)強度的影響可近似用對數(shù)函數(shù)表征：TS=10.12-3.93 ln(e)。并有以下結(jié)論：

1）雙層殼Benchmark潛艇艏端耐壓艙壁構(gòu)型采用平板時，艏部目標(biāo)強度水平較高，10 kHz內(nèi)平均為26.2 dB；變?yōu)榘霗E球形，艏部目標(biāo)強度會顯著降低。

2）艏部目標(biāo)強度隨橢球艙壁離心率增大而單調(diào)遞減，同時目標(biāo)強度下降趨勢變緩：離心率超過0.5后，平面艙壁與橢球艙壁艏部目標(biāo)強度的差別趨于穩(wěn)定。

3）潛艇艏端耐壓艙壁的設(shè)計選取具有一定曲率的曲面構(gòu)型而非純平面構(gòu)型，有利于控制艏部目標(biāo)強度水平。

本文也存在一些局限性，如所采取的是簡化的模型，其結(jié)構(gòu)、形狀與實際潛艇存在較大的區(qū)

別，也沒有考慮消聲瓦等聲隱身措施對目標(biāo)強度的影響。另外，艏部目標(biāo)強度特征應(yīng)該包括聲波在艏部附近一定角度范圍內(nèi)隨機入射的情況，本文只分析了單個入射角時的目標(biāo)強度特征。上述問題可在后續(xù)工作中進一步研究。

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Effect analysis for the shape of submarine bow pressure bulkhead upon the acoustic target strength

HU Bo，ZHANG Junping
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

High level of acoustic Target Strength（TS）from the bow of submarine forms great threat to submarines'acoustic stealth.According to the TS contribution curves，it's adduced that the bow pressure bulkheads are the main source of a submarine's bow target strength.There are two types of bow pressure bulkhead：ellipsoidal and planar bulkheads.And the TS of a rigid plane is much bigger than that of a ellipsoidal one.Based on Plane Element Method（PEM），the relationship of a submarine's bow TS with the bulkheads'curvature is analyzed，and logarithmic fitting is made by calculating the TS of a series of ellipsoidal pressure bulkhead with different curvatures.Then，the acoustic scattering pressure images near pressure bulkhead are obtained via indirect Boundary Element Method（BEM），and it suggests that the scattering pressure field of ellipsoidal surfaces have less directivity index compared to those of the planar bulkhead，which results in significant lower TS level（more than 10 dB）.If the curvature is bigger than a certain value，the bow TS of an ellipsoidal pressure bulkhead tends to be stable.

target strength；pressure bulkhead；curvature；Plane Element Method（PEM）；Boundary Element Method（BEM）

U663.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.004

2016-04-20

時間：2016-11-18 15:19

國家部委基金資助項目

胡泊（通信作者），男，1993年生，碩士生。研究方向：聲目標(biāo)強度預(yù)報，吸聲覆蓋層設(shè)計仿真。E-mail：huboaaaa@163.com張均平，男，1960年生，研究員。研究方向：聲目標(biāo)強度預(yù)報

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.008.html 期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

胡泊，張均平.潛艇艏端耐壓艙壁構(gòu)型對聲目標(biāo)強度的影響［J］.中國艦船研究，2016，11（6）：22-27. HU Bo，ZHANG Junping.Effect analysis for the shape of submarine bow pressure bulkhead upon the acoustic target strength［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：22-27.